06.08.2021 – Kategorie: Komponenten & Systeme

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren als Generatoren betreiben

Gleichstrommotoren als GeneratorenQuelle: Portescap
Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren lassen sich als Generatoren betreiben und somit als Gleichstromversorgungsquelle nutzen. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie es funktioniert.

Es wird Ingenieure, die auch nur über die Grundkenntnisse der Motorkonstruktion verfügen, nicht überraschen, dass sich bürstenbehaftete Gleichstrommotoren als Generatoren betreiben und somit als Gleichstromversorgungsquelle nutzen lässt. Allerdings ist es durchaus möglich, dass sie sich angesichts der stetig steigenden Anzahl an intelligenten, remote betriebenen Geräten der Nützlichkeit dieses Prinzips noch nicht vollauf bewusst sind.

Wenn Sie das Beste aus einer derartigen Konfiguration herausholen möchten, gilt es, bei der Bestimmung der Betriebspunkte die elektrischen und mechanischen Faktoren zu berücksichtigen. In diesem Artikel spricht Sunil Kedia, Manager für die Entwicklung neuer Produkte im Kernmarkt bei Portescap, über die grundlegende Beziehung zwischen Drehzahl, Spannung, Drehmoment und Stromstärke bei der Verwendung von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren als Generatoren.

Wahl des Antriebs entscheidend

Das Internet der Dinge (IoT) ist auf dem Vormarsch und hat zu einer steigenden Anzahl intelligenter Sensoren und Geräte geführt, die miteinander verbunden sind und Daten übertragen können. In der industriellen Welt bildet das industrielle IoT das Rückgrat der digitalen Transformation eines Unternehmens auf dem Weg zur Industrie 4.0. Da zahlreiche dieser Geräte kabellos oder an abgelegenen Standorten ihren Dienst verrichten, ist die Wahl des Antriebs hierbei von entscheidender Bedeutung. Batteriestrom ist Teil der Lösung, aber die Batterie muss man letztendlich austauschen oder wieder aufladen.


Bild 2: Schaubild zur Beziehung von Laststrom und Anschlussspannung. Bildquelle: Portescap

Dies ist ein Problem, dem sich nicht nur die industrielle Branche stellen muss. Bei Aktivitäten im Freien, wie Camping oder Wandern, befindet sich keine Steckdose in der Nähe und Akkus entladen sich möglicherweise lange bevor wieder Netzstrom zur Verfügung steht. Außerdem entscheiden sich mehr und mehr Menschen dazu, ihre Kohlenstoffbilanz zu senken und stattdessen nachhaltige Ressourcen für die Stromerzeugung zu nutzen.

Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren für die Stromerzeugung

Vor diesem Hintergrund bedeutet die Fähigkeit, bürstenbehaftete Gleichstrommotoren als Generatoren und zur Erzeugung von Gleichstrom zu nutzen, einen immensen Vorteil. Die Welle ist hierbei mechanisch an eine externe Quelle gekoppelt, die für dessen Rotation sorgt. Die Spulensegmente des Rotors werden durch einen Magnetfluss in der Luftlücke gedreht und es ist eine Spannungskonstante an den Ausgangsanschlüssen messbar. Sie können also beispielsweise eine Windfahne an der Motorwelle anbringen, damit sogar eine leichte Brise bereits eine brauchbare Ausgangsspannung liefert.


Bild 3: Betriebsbereich des 17 DCT-Motors von Portescap. Bildquelle: Portescap

Die erzeugte Spannung ist eine Funktion der Gegenspannungskonstante (ein charakteristischer Parameter des Motors, in mV / U/min ausgedrückt) und der Drehzahl der Welle. Sie ist ein entscheidender Faktor bei der Wahl des Motors, da die erreichbare Drehzahl der Welle hoch genug sein muss, um die erforderliche Gegenspannung zu erzeugen, aber nicht so hoch sein darf, dass die maximal zulässigen Drehzahlparameter des Motors überschritten werden. Ist die Drehzahl zu hoch, sollten Sie einen Motor mit einer höheren Nenndrehzahl wählen. Ist die Drehzahl zu niedrig, können Sie ein geeignetes Getriebe anbringen, um die Drehzahl der Motorwelle zu erhöhen.

Außerdem gilt es, die Last zu berücksichtigen, die über die Ausgangsklemmen des Generators angeschlossen werden soll. Maximaler Spannungsausgang tritt auf, wenn keine Last anliegt. Wenn bei konstanter Drehzahl eine Last angeschlossen ist, steigt der durch Last und Motorwicklungen fließende Strom aufgrund des sinkenden Lastwiderstands an. Im Generatormodus ist der Eigenwiderstand der Motorwicklungen der begrenzende Faktor für die maximale Stromstärke.

Gleichstrommotoren als Generatoren

Bild 4: Strom-Spannungs-Kennlinien des 16C18. Bildquelle: Portescap

Gegenspannungskonstante, Widerstand und Drehmoment

Auch die Gegenspannungskonstante spielt hier eine Rolle. Ein Motor mit hoher Gegenspannungskonstante und niedrigem Widerstand sorgt für einen stabilen Betrieb. Im Gegensatz dazu steigt bei einem hohen Widerstand der Wicklungen die Empfindlichkeit des Generatorsystems und die daraus resultierende Spannungsänderung bei der Stromaufnahme führt zu einem instabilen System.

Auch das Drehmoment sollte man berücksichtigen, wobei sich die Auswahl des Motors durch das maximal zulässige, im Generatormodus auf die Welle wirkende Drehmoment reduziert. Die Auswahl eines Motors zur Bewältigung des auf die Welle wirkenden Generatordrehmoments und der maximalen, im Stromkreis auftretenden Stromstärke ist vergleichbar mit der Auslegung eines Motors basierend auf den gewünschten Lastpunkten.

Zwei Beispiele aus der Praxis

Im folgenden werden zwei Beispiele aus der echten Welt besprochen, bei denen Motoren aus der Athlonix-Reihe der bürstenbehafteten Gleichstrommotoren von Portescap zum Einsatz kommen. Die Gegenspannungskonstante des Athlonix 17 DCT mit 209P-Spule beträgt 1,17 mV / U/min und der Widerstand der Spulenwicklungen beläuft sich auf 7,8 Ω. Wenn dieser Motor bei einer Wellendrehzahl von 5’000 U/min verwendet wird, beträgt die Ausgangsspannung 5,85 V. Der maximale Laststrom im Kreislauf unter Kurzschlussbedingungen bei I=V/R beträgt 0,75 A. Dieser Wert überschreitet jedoch den maximal für diesen Motor zulässigen Dauerstrom (0,55 A). Eine Lösung bestünde darin, einen Serienlastwiderstand zu verwenden. Alternativ ließe sich eine andere Spule verwenden. (Die 221P-Spule wäre hier eine weitaus bessere Wahl).

Bild 5: Ausgangsleistungskennlinien des 16C18. Bildquelle: Portescap

Im zweiten Beispiel wird der 16C18-Motor von Portescap mit einer 205P-Spule verwendet. Er hat eine Gegenspannungskonstante von 0,70 mV / U/min und einen Spulenwiederstand von 65 Ω. Bei 10’000 U/min beträgt die Ausgangsspannung des offenen Schaltkreises an der Klemme 7,0 V. Unter Kurzschlussbedingungen beträgt die maximal mögliche, durch die Wicklungen fließende Stromstärke 0,108 A, liegt also unter dem maximal zulässigen Dauerstrom des Motors. Die Verwendung dieses Motors bei einer Wellendrehzahl von 10’000 U/min wäre also auch ohne Zuhilfenahme einer externen Widerstandslast tragbar.

Leistungsfähigkeit der Gleichstrommotoren im Generatormodus

Zu guter Letzt sollte der Konstrukteur auch die Leistungsfähigkeit des Motors im Generatormodus in Betracht ziehen. Er erreicht zwar nicht dieselbe Leistungsfähigkeit wie bei der Nutzung als Motor, aber er erzielt einen angemessen hoher Wirkungsgrad, wenn bei Motor, Lasten und Betriebsdrehzahl die richtige Wahl erfolgt.

Bild 6: Wirkungsgrad-Kennlinien des 16C18. Bildquelle: Portescap

Durch die Nutzung eines Motors als Generator erhält man eine praktische Stromquelle für unterwegs; allerdings muss man vorab alle Betriebspunkte bestimmen. Ist man sich nicht bei allen Parametern vollständig sicher, empfiehlt es sich, einen erfahrenen Anbieter zu Rate zu ziehen, der bei der Auswahl des für Ihre Anwendung geeigneten Motors behilflich sein kann.

Bild 1 (oben): Ersatzschaltbild eines als Generator verwendeten Gleichstrommotors. Bildquelle: Portescap

Weitere Informationen: https://www.portescap.com/

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